基于石膏砂漿的軟弱巖層相似材料配合比試驗研究

程俊偉，崔文杰，孔令弟，王驍男，于海洋，徐 程

(1.山東高速基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)有限公司，山東 濟南 250000； 2.山東高速嵐臨高速公路有限公司，山東 臨沂 276713；3.濟南市政工程設(shè)計研究院，山東 濟南 250002； 4.山東高速巖土科技有限公司，山東 濟南 250102)

巖土模型試驗是根據(jù)一定的相似原理對特定巖土工程問題進行縮尺研究的一種常用方法，其中正確選擇相似材料是能否正確模擬工程原型的關(guān)鍵[1]。相似材料模擬試驗具有試驗周期短、可重復(fù)性和可控性強等優(yōu)點，直觀再現(xiàn)采空區(qū)導致的地基變形和地表沉陷情況，并可用于理論分析和數(shù)值仿真計算的結(jié)果驗證。在該類型試驗中，試驗結(jié)果的精度取決于模型材料與工程現(xiàn)場真實材料之間的物理和力學相似性。軟弱巖層是巖土工程實踐過程中最為常見的欠穩(wěn)定地質(zhì)條件之一[2-3]。本文首先通過相似理論方法確定軟弱巖層相似材料物理和力學參數(shù)，基于已有經(jīng)驗，優(yōu)選原材料；然后，通過開展強度試驗和密度試驗，確定最終模型材料配比，為相關(guān)模型試驗的開展提供配合比設(shè)計參考依據(jù)[4-10]。

1 試驗材料及基本性質(zhì)

模型試驗中用于模擬巖石的相似材料通常由膠結(jié)料和骨料組成，常用的膠結(jié)材料有水泥、粉煤灰、石膏粉、石灰、黏土、水玻璃、凡士林等，常用的骨料有河砂、(鐵銅)礦粉、重晶石粉等。本次模型試驗采用石膏粉作為膠結(jié)材料。根據(jù)試驗要求和已有相似材料配制試驗，選擇以最大粒徑為2 mm的石英砂作為骨料，以石膏粉作為膠結(jié)料，通過摻入一定比例的水，配制石膏砂漿用作巖層相似材料。

1.1 石膏

考慮攪拌時間與澆筑模具等試驗需求，最終選用細度模數(shù)為200目、初凝時間約為2 h的黃氏建材石膏粉(后簡稱為H-石膏粉)。取水灰比(質(zhì)量比，下同)為0.5∶1,0.55∶1與0.6∶1，將石膏粉與水混合后攪拌形成石膏凈漿，倒入尺寸為70.7 mm×70.7 mm×70.7 mm的立方體模具中，在室內(nèi)常溫條件下養(yǎng)護，分別檢測其12 h,24 h,3 d,7 d的抗壓強度。試驗結(jié)果如圖1所示。

由圖1可知，石膏凈漿試件強度在養(yǎng)護時間24 h后趨于穩(wěn)定，且隨水灰比的增大而減小，水灰比為0.5∶1時，石膏凈漿養(yǎng)護24 h后抗壓強度約為0.8 MPa；水灰比為0.55∶1時，24 h后抗壓強度約為0.55 MPa；水灰比為0.6∶1時，24 h后抗壓強度均小于0.4 MPa。

1.2 砂集料

考慮澆筑過程中砂漿的和易性，初步確定砂集料級配為粗砂∶細砂的質(zhì)量比=1∶0.3，根據(jù)《公路土工試驗規(guī)程》[11]，取篩孔孔徑(mm)為4.0,2.0,1.0,0.5,0.25,0.075的標準篩對采購的兩批石英砂進行篩分試驗，得到如圖2所示的顆粒級配曲線。

根據(jù)級配曲線與最大最小干密度實驗，可得砂的物理性質(zhì)參數(shù)，列入表1。

表1 石英砂物理參數(shù)

2 正交試驗設(shè)計與試驗方法

2.1 石膏砂漿強度初試配合比

根據(jù)石膏凈漿試驗結(jié)果，選取三組石膏砂漿配合比開展試驗，即砂∶石膏粉∶水=3∶1∶0.5,3∶1∶0.55,3∶1∶0.6。為保證材料和易性，加入質(zhì)量比占水質(zhì)量2%的減水劑，攪拌后澆筑成尺寸為70.7 mm×70.7 mm×70.7 mm立方體試件，置于室內(nèi)常溫條件下養(yǎng)護，分別測定試件12 h,24 h,48 h,3 d,7 d的無側(cè)限抗壓強度。

具體試驗結(jié)果如圖3所示，石膏砂漿試件強度于12 h 后基本趨于穩(wěn)定，隨水灰比的增大而減小。配合比為3∶1∶0.5時，石膏砂漿的立方體無側(cè)限抗壓強度約為1 MPa；配合比為3∶1∶0.55時，無側(cè)限抗壓強度約為0.5 MPa；配合比為3∶1∶0.6時，石膏砂漿立方體無側(cè)限抗壓強度約為0.35 MPa。

2.2 相似材料與配合比

根據(jù)相似材料設(shè)計需求和以上初步試驗結(jié)果，并結(jié)合前人相關(guān)研究結(jié)果[12-13]，取砂集料的粗細比、砂膏比、水灰比三個影響因素設(shè)計正交試驗。通過材料正交試驗，研究相似材料物理指標和力學指標的關(guān)鍵影響因素，從而指導后期配合比設(shè)計。根據(jù)正交試驗方法，選擇4個影響水平、3個影響因素，繪制L9(43)相似材料配比實驗表(如表2所示)。

表2 正交試驗設(shè)計

2.3 試驗方法

根據(jù)《公路土工試驗規(guī)范》與《公路工程水泥及水泥混凝土試驗規(guī)程》[14]，石膏砂漿立方體無側(cè)限抗壓強度試驗與密度試驗均采用70.7 mm×70.7 mm×70.7 mm立方體試件。試件置于常溫狀態(tài)下養(yǎng)護，24 h后脫模機脫模。對養(yǎng)護后試件開展抗壓試驗，加荷速度設(shè)定為0.5 mm/min～1 mm/min，加載直至試件破壞，記錄破壞荷載。每組進行三次平行試驗，當三組試驗測量值的最大值或最小值與中間值之差不超過中間值的15%時，則取中間值為測定值；如超過15%，該組試驗無效。

3 試驗結(jié)果分析

3.1 抗壓試驗數(shù)據(jù)

石膏砂漿密度和抗壓試驗結(jié)果如表3所示。

表3 正交試驗結(jié)果

對石膏砂漿的密度與抗壓強度兩種物理性質(zhì)分別進行正交極差分析，根據(jù)正交試驗表計算三種因素的影響因子極差表，計算結(jié)果列于表4。

表4 正交試驗極差分析

圖4,圖5分別為不同石膏砂漿物理性質(zhì)正交試驗敏感性分析圖，圖中橫坐標為不同正交水平下各正交因素的取值，縱坐標為在不同正交水平下，某一影響因素取值相同的試驗結(jié)果的均值，根據(jù)圖4，圖5更直觀的分析正交實驗表中不同影響因素對石膏砂漿不同物理性質(zhì)的影響程度。

石膏砂漿試件的密度與抗壓強度均受水灰比影響最大，且均隨水灰比的增大近似呈線性關(guān)系不斷減小。關(guān)于石膏砂漿強度方面的性質(zhì)，集料粗細比與砂膏比影響類似且影響較小，因此針對石膏砂漿材料強度性質(zhì)進行分析時，主要考慮水灰比的影響。粗細比對石膏砂漿的密度有一定的影響，由前期測得砂集料的級配曲線可知，當砂集料粗細比為1∶0.25時其集料級配屬于骨架空隙型級配，當砂集料粗細比不小于1∶0.5時為密級配，因此其對密度的影響規(guī)律表現(xiàn)為先略微減小后增大。

3.2 石膏砂漿相似材料評價

采用石膏粉、石英砂與水三種基本原材料，并摻加適量減水劑，配置的相似材料的參數(shù)取值范圍跨度較大，可較好滿足一般模型試驗較軟弱風化巖層的需求，具體取值范圍見表5。

表5 石膏砂漿物理性質(zhì)取值范圍

4 結(jié)語

采用常見的石膏粉、石英砂與水三種基本原材料并摻加適量減水劑配制石膏砂漿材料，正交試驗結(jié)果表明石膏砂漿材料養(yǎng)護12 h后強度趨于穩(wěn)定，且水灰比、集料粗細比以及砂膏比的影響主次順序為水灰比>粗細比>砂膏比，材料不同配合比條件下密度與抗壓強度取值范圍分別為1.653 g/cm3～2.155 g/cm3和0.19 MPa～2.29 MPa。